목질계열분해유의디젤엔진 적용기술동향 한국기계연구원 이석환선임연구원 Ⅰ. 개요 101 1. 목질계열분해유의제조법및특성 101 2. 목질계열분해유의디젤엔진적용성 102 Ⅱ. 동향분석 103 1. 국내동향 103 2. 해외동향 105 3. 업체동향 106 Ⅲ. 향후전망 107 < 참고문헌 > 107 목질계열분해유의디젤엔진적용기술동향 _99

Green Technology Trend Report 목질계열분해유의디젤엔진적용기술동향 한국기계연구원 이석환선임연구원 Ⅰ. 개요 1. 목질계열분해유의제조법및특성 가. 목질계열분해유제조법지구온난화의주범인화석연료를대체하기위한재생가능에너지원연구가활발하게진행되고있는가운데, 최근목재등의바이오매스를이용하여액체연료인목질계열분해유 (Wood pyrolysis oil) 제조기술이활발하게연구되고있다. 목질계열분해유는급속열분해 (Fast pyrolysis) 법을사용하여제조하는데이는목질계바이오매스를산소가없는 500 정도의고온조건에서 2초내의짧은시간노출시켜제조한다. 이런방법으로제조할경우목질계바이오매스의 75% 는휘발성물질 (Volatiles) 로, 12% 는가스상물질로, 13% 는차 (Char) 로변환되며, 휘발성물질을응축시켜 55~65% 의수율로열분해유를얻게된다. 목재의경우단위에너지당부피가크므로이동및저장이어려우며, 이동및저장비용이필요하므로에너지집약도를높이는최적의방법으로급속열분해제조법이최근에각광받고있다. 우드펠렛 (Wood pellet) 의경우 9GJ/m 3 정도의에너지밀도를가지고있는데비해열분해유의경우 22GJ/m 3 정도로 2배이상에너지집약도를가지고액체로존재하므로이동및저장이용이하다. 자료 : STOA, Systemic approach to adaptation to climate change and renewable energy harnessing, 2012 1) < 그림 1> 급속열분해반응개요 목질계열분해유의디젤엔진적용기술동향 _101

나. 목질계열분해유의특성열분해유의물성치는원료인바이오매스의종류및생산공정에따라서큰차이를보이는데, 보통 18-30% 의수분이포함되어있으며, 화석연료에비해산소함량이높은편이다. 이와같이디젤유와는물성치가매우상이하므로연료미립화, 점화및연소특성, 배출가스의특성도다르다. 열분해유가가지는특성들을요약하면다음과같다. 2) 열분해유는낮은세탄가로인하여단독으로사용시자발화되지않으므로파일럿분사나세탄가가높은연료와혼합하여사용해야한다. 열분해유의구성성분중산소가 42-50% 이며, 탄소비율이석유계연료에비해서낮으므로에너지밀도가낮다. 열분해유의점도는중유와경유의중간정도로열분해유의원재료와공정에따라다르고열분해유의수분함량및연료온도에의해서크게변한다. 열분해유는산성 (ph 2-3) 으로장시간운전하는경우분사계가부식될수있다. 또한높은수분함량은분사계손상의주요원인이다. 열분해유에는타르가포함되어있는데중합작용 (Polymerization) 에의해서점착성물질로변환된다. 중합작용은실온에서도일어나며, 90 가넘는고온에서매우빠르게일어난다. 이로인해발생되는중합체 (Polymer), 타르, 고체입자등은분사계에퇴적되어디젤엔진의성능을저하시키게된다. 2. 목질계열분해유의디젤엔진적용성목재가풍부한북미및북유럽국가중심으로목재를원료로하여생산하는열분해유의활용방안에대한다양한연구들이진행되고있다. 열분해유의활용분야로는크게열에너지원으로사용하고자하는방법과화학약품의원료로사용하는방법으로나눌수있다. 열에너지원으로사용하는방법으로는기존화석연료와혼합소각 (Co- firing) 하는열병합발전과가스터빈및디젤엔진을사용하여발전하는기술들이연구되었다. 3) 또한, 최근에는바이오원유를수송용연료로직접적용하고자하는연구들도진행되고있는데열분해유와디젤연료의연소특성및배출가스배출특성을비교하는연구들이수행되었다. 4) 열분해유를디젤엔진에적용하기위하여세탄향상제를첨가한연료를사용하여디젤과동등한수준의연소성능을확보하였다는연구결과도발표되었다. 하지만, 열분해유는디젤엔진에적합하지않은연료물성치를가지고있으며, 열분해유를이용하여엔진연소는가능하지만연료공급계가마모되고파손되는결과들이보고되었다. 열분해유를차량에적용가능한청정연료로변환시키기위하여수첨공정 (Hydro-processing) 반응을통한그린디젤 (Green diesel) 을생산하고자하는연구가진행되고있다. 5) 102_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

Ⅱ. 동향분석 1. 국내동향현재국내에서바이오에너지관련연구로는생활폐기물등의폐기물자원을열화학적또는생물학적으로처리하여에너지를생산하는연구가주를이루고있으며, 바이오매스를기반으로유기물을발효등의생물학적처리를통하여바이오알코올또는바이오디젤을생산하는연구도꾸준히진행되고있다. 바이오에너지분야는국내시장이어느정도형성되어있으나목질계열분해유분야는현재초기단계에불과하여국내시장이아직형성되지않은단계이다. 그러나해외기술발전및시장상황을고려하면국내시장의형성및성장가능성이크다고할수있다. 2007년환경부자료에의하면버려지는생활폐기물과목질계폐기물을오일로전환할경우연간약 40만톤의중유대체효과를기대할수있고, 이는연간약 2,000억원의경제효과를볼수있으며, 부가적으로약 90만톤의 CO 2 저감을통해상당한경제효과가예상된다. 6) 자료 : 환경부, 폐목재재활용활성화대책, 2007 6) < 그림 2> 폐목재활용을통한경제효과 국내에서는열분해유의제조, 품질고급화, 디젤엔진적용, 화학약품원료이용방법에대한연구들이기초연구수준으로진행되고있다. 열분해유의제조에대한연구는한국기계연구원에서활발하게진행하고있는데 15kg/hr급파일럿크기의급속열분해반응기를제작하여수율 63% 수준으로열분해유를생산하고있다. 한국기계연구원은고유의경사하강식반응기를설계하여톱밥및거대억새등의바이오매스원료를이용하여열분해유를생산하고있다. 연세대학교와한국에너지기술연구원에서도실험실수준의급속열분해반응기를설계하여열분해유를생산하는연구를진행하고있다. 목질계열분해유의디젤엔진적용기술동향 _103

열분해유를디젤엔진에적용가능한연료로변환하는기술로는물리적고급화기술과화학적고급화기술이있다. 물리적고급화기술은세탄가가높은기존의화석연료와혼합하거나유화 (Emulsification) 하는기술이며, 화학적고급화기술은수소첨가반응을통하여그린디젤을생산하는기술이다. 한국에너지기술연구원은디젤과열분해유를유화한유상액을버너에적용하여안정적인연소를구현하였으며, 일산화탄소와질소산화물배출량이낮음을확인하였다. 수첨공정을통한화학적고급화기술에대한연구는국내에서아직진행된바가없다. 열분해유를디젤엔진에적용하고자하는연구는한국기계연구원에서수행중인데열분해유의품질향상을위하여디젤및바이오디젤과유화한유상액 (Emulsion) 을제조하여디젤엔진에적용하는연구를수행하였으며, 디젤, 부탄올, 열분해유를혼합한혼합연료를제조하여디젤엔진에적용하였다. 이를통해디젤과동일한수준의연소를구현하였으며, 질소산화물이감소하는결과를제시하였지만연료분사계가고착되는현상도보고되었다. 이를해결하기위하여이중분사기가장착된디젤엔진을제작하여디젤파일럿 (Pilot) 분사기에서에탄올과열분해유를혼합한연료를연소시키는방법에대한연구를수행하였다. < 표 1> 국내주요기관연구내용 기술명기관명기관분류주요연구내용비고 한국기계연구원연구소 Pilot-scale 급속열분해반응기제작및열분해유생산 15 kg/hr 급, 수율 63% 열분해유제조 연세대학교 대학 Micro-scale 급속열분해반응기제작 반응기전산해석수행 - 한국에너지기술연구원 연구소 Micro-scale 급속열분해반응기제작 - 열분해유고급화 한국에너지기술연구원 연구소 디젤유와열분해유를유화한유상액을버너에적용 수첨공정이용한업그레이딩기술기초연구수행중 CO : 4 ppm, NOx : 84 ppm 한국기계연구원 연구소 디젤엔진적용을위하여디젤유, 바이오디젤유와열분해유유상액제조 최대 30% 혼합 열분해유디젤엔진적용 한국기계연구원 연구소 디젤및바이오디젤과열분해유유화한유상액커먼레일디젤엔진적용 이중분사기가장착된디젤엔진에열분해유적용 디젤대비 NOx 60%, Soot 80% 감소 104_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

2. 해외동향목질계열분해유를생산하고활용하는기술은목재가풍부한북유럽과북미를중심으로활발하게연구되고있으며, 열분해유에대한수요도날로증가하고있다. 열분해유는열병합발전소, 보일러, 디젤엔진및가스터빈시스템에직접사용되기도하고정제과정을통하여좀더고품질의오일로만들어져수송용연료로사용되기도한다. 유럽에서열분해유의가격은단위에너지당 (GJ) 6.4유로에서 10유로정도이며, 이는천연가스또는중유와동일열량을기준으로비슷한가격대를형성하고있다. 청정개발체제 (CDM) 등지구온난화를대비하는환경대책에들어가는비용등을감안하면목질계열분해유시장은지속적으로성장할전망이다. 현재유럽의경우 BIOCOUP, BIOCAT, EMPYRO라는이름의프로젝트들이유럽연합의자금을지원받아활발하게진행되고있다. 목질계열분해유는버블유동층반응기, 순환유동층반응기, 와류반응기, 회전콘반응기등여러형태의반응기를이용하여제조되고있으며, 캐나다의 Dynamotive와미국의 Ensyn, 네덜란드의 BTG, 독일의 BioLiq, BTO, PYTEC에서열분해유를대량생산하고있다. 열분해유를물리적으로고급화하는기술중디젤과유화한유상액을만드는연구가캐나다의 CANMET사에서수행중이며, 디젤에열분해유가 10~30% 혼합된유상액을제조하여판매중이다. 이탈리아의피렌체대학교에서는여러회사에서제조된열분해유를다양한계면활성제를이용하여 25~75% 까지열분해유가혼합된유상액을제조하는연구들을진행하였다. 화학적고급화기술인수첨공정의경우캐나다의 Dynamotive사에서 BINGO 공정을이용하여그린디젤을생산하고있으며, 미국의퍼시픽노스웨스트국립연구소 (Pacific Northwest National Laboratory, PNNL) 에서도수첨공정을이용하여 Biojet이라는연료를제조하였다. 미국의 KiOR사는열분해유를촉매반응을이용한화학적고급화방법으로바이오가솔린을생산하고있으며, 이는미국에너지청 (EPA) 이인증한첫번째그린가솔린이다. 열분해유를디젤대체연료로사용하기위한연구들이오래전부터진행되었는데열분해유의저급한성질때문에단독으로디젤엔진에적용하기어려우므로고급화방법을거친연료를적용하였다. 물리적으로고급화된열분해유의경우품질기준이까다로운수송용연료로사용하기어려우므로발전용디젤엔진에적용하고있으며, 수첨공정을통해화학적으로고급화된열분해유를수송용연료로사용하고있다. 미국의샌디아국립연구소 (Sandia National Laboratory, SNL) 는열분해유의연소특성을살펴보기위하여정적챔버에서열분해유의단일액적연소실험을수행하였는데열분해유의경우디젤유와다르게연소초기미세폭발 (Micro-explosion) 이발생하며연소후카본입자 (Carbonaceous cenosphere) 가많이발생한다고보고하였다. 이탈리아의 Istituto motori는 2000년에최초로상용디젤엔진에열분해유 30% 를디젤과유화한유상액을연료로엔진을구동하였으며, 만족할만한수준의엔진성능을얻었다. 인도의 NIT Rourkela 연구소에서도열분해유를디젤과유화한유상액을디젤엔진에적용하였는데기존디젤대비 10% 정도의엔진효율이증가하였다. 독일의 PYTEC사는 350 kw급발전용디젤엔진에열분해유를적용하여발전시스템을구축하였는데열분해유의높은점도및부식성문제를해결하기위하여공급연료를 60 이상으로가열하였으며, 연료펌프, 분사기노즐등의연료공급계부품들을스테인리스재질로개조하였다. 7) 네덜란드의 BTG사에서는열병합발전용디젤엔진에 목질계열분해유의디젤엔진적용기술동향 _105

100% 열분해유, 디젤과열분해유를유화한유상액, 수첨공정을통하여고급화된열분해유, 디젤 + 부탄올 + 열분해유가혼합된혼합연료를적용하는실험을수행하였다. 100% 열분해유는디젤엔진발화조건에서는자발화되지않기때문에엔진의압축비를 22로높이고흡기온도를 200 이상으로높인상태에서연소하였으며, 40시간연속운전한결과를발표하였다. 8) 독일 PYTEC 사의 350kW 급발전용디젤엔진 네덜란드 BTG 사의열병합발전용디젤엔진 < 그림 3> 목질계열분해유디젤엔진적용예 7) 3. 업체동향 2012년 3월핀란드의 Fortum사는급속열분해기술을적용하여열분해유를생산하는플랜트건설에 2,000만유로를투자한다고발표하였다. 이는전세계적으로급속열분해기술의상용화를위한첫번째시도이며, 생산된열분해유는열병합발전에사용될것이라고밝혔다. 네덜란드의 BTG사는급속열분해방식에사용되는회전콘반응기를최적화하여 70% 열분해유와 30% 의차 (Char) 를얻었으며, 이를이용하여 25MW급발전기에서전기를생산하고있다. 캐나다의 Ensyn사는자사의순환유동층반응기방식인 Rapid Thermal Processing(RTP) 기술을이용하여최대 75% 의수율을확보하였다. 미국의 KiOR사는미시시피주의콜럼버스에열분해유를정제하여그린가솔린, 그린디젤등을생산하는상용화플랜트를건설하였다. 2012년 4월미국의에너지부 (Department of Energy, DOE) 에서는수송용신재생에너지개발의일환으로열분해유를기반으로한연료개발과제에대하여 1,500만달러를지원하겠다고발표하였다. CENUSA Bioenergy사는미국농무부 (USDA) 산하국립식량농업연구소 (NIFA) 에서제공하는 2,500만달러의자금을지원받아고품질열분해유를생산할수있는급속열분해기술을개발하고있다. 106_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

Ⅲ. 향후전망 전체에너지원의 97% 이상을해외에서수입하고있는국내실정에서재생가능한에너지사용을촉진하여에너지자립도향상및기후변화협약에대한대응이절실히요구되고있다. 이에따라정부에서도정책적으로폐기물, 바이오매스, 태양광, 풍력등의재생가능에너지활용방안을강구하고이와관련한연구및투자를장려할필요가있다. 앞서소개한바와같이국내에서현재가용할수있는목질계바이오매스자원은풍부한편이아니며, 주요자원을차지하고있는산림바이오매스의경우대부분이산악지역에위치해있으므로운반및저장비용이높아경제성이떨어진다. 이를극복하기위하여급속열분해방식을이용한열분해유를제조하는방법이대안으로각광받고있으며, 일부산림자원이풍부한나라의경우상용플랜트가이미건설되어운영중이다. 국내에서는아직까지열분해유를제조하고이를활용하는연구가미진하며, 몇몇기관들에의해서기초단계수준으로연구가진행되고있다. 특히, 열분해유를디젤엔진에적용하고자하는연구는국내외에서활발히진행되고있지않으며, 상용시스템을구축한예도없다. 하지만열분해유의물리적고급화를통하여발전용엔진에적용하고자하는연구가진행중이며, 화학적고급화를통한그린디젤연료를제조하는연구가지속적으로이루어지고있으므로조만간수송용연료로사용할수있는열분해유가판매될시기가도래할전망이다. 현재정부에서도바이오매스활용분야에대한활성화방안을마련하고있으며, 관련연구에지속적으로투자하고있으므로향후열분해유관련사업 ( 수집, 이송, 제조, 연료표준화, 활용등 ) 에대한정책적지원이있을것으로예상되어기술개발전망은밝다고할수있다. < 참고문헌 > 1. Science and Technology Options Assessment, SYSTEMIC APPROACH TO ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE AND RENEWABLE ENERGY HARNESSING, 2012 2. Bridgwater AV, Meier D, Radlein D, An overview of fast pyrolysis of biomass, Organic Geochemistry, Vol.30, pp.1479-1493, 1999 3. Chiaramonti D, Oasmaa A, Solantausta Y, Power generation using fast pyrolysis liquids from biomass, Renewable & Sustainable Energy Reviews, Vol.11, pp.1056-1086, 2007 4. Bertoli C, D Alessio J, Giacomo N, Lazzaro M, Massoli P, Moccia V, Running Light-Duty DI Diesel Engines with Wood Pyrolysis Oil, SAE paper 2000-01-2975, 2000 5. Bridgwater AV, Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading, Biomass and Bioenergy, Vol.38, pp.69-94, 2012 6. 환경부, 폐목재재활용활성화대책, 2007 7. Scholl S, Horning T, Hentschel B, Meier D, Running a 350 kw Diesel Engine with Bio-Crude Oils Experiences and Results, TCbiomass 2009, Chicago, 2009 목질계열분해유의디젤엔진적용기술동향 _107

8. Beld BV, Holle E, Florijn J, The use of pyrolysis oil and pyrolysis oil derived fuels in diesel engines for CHP applications, Applied Energy, Vol.102, pp.190-197, 2013 108_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)